الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12
18الأحماض والقواعد وpH
على رف المطبخ ليمونة، وقارورة خل، وقالب صابون، وعلبة صودا الخبز؛ وتحت المغسلة قارورة منظّف مجارٍ عليها ملصق تحذير أسود وأحمر. بعض هذه الأشياء طعمه حامض، وبعضها زلق الملمس، وبعضها قد يحرق الجلد. وسلّم واحد، مرقّم من 0 إلى 14، يرتّبها كلها — والسلّم نفسه يُستعمل لأحواض السباحة، وتربة الحدائق، والدم، والمحيطات.
ما تعرفه من قبل
الأيونات ذرات أو مجموعات ذرات تحمل شحنة؛ فالكاتيون مثل موجب، والأنيون مثل أو سالب. والمحاليل الأيونية تحوي أيونات يُرمز إليها بالرمز (aq)، تتحرك بحرية (الفصل 17).
18.1 المحاليل الحمضية والقاعدية والمتعادلة
تعريف 18.1 (المحاليل الحمضية والقاعدية والمتعادلة)
كل محلول مائي يحوي أيونات الهيدروجين وأيونات الهيدروكسيد . ويكون المحلول محلولًا حمضيًا إذا كان يحوي من أيونات أكثر مما يحوي من أيونات ، ومحلولًا قاعديًا إذا كان يحوي من أيونات أكثر مما يحوي من أيونات ، ومحلولًا متعادلًا إذا كان يحوي منهما العدد نفسه.
مثال 18.2 (ثلاثة محاليل)
حمض الهيدروكلوريك محلول حمضي: فهو يحوي أيونات و، وقليلًا جدًا من . ومحلول هيدروكسيد الصوديوم قاعدي: و، وقليل جدًا من . أما الماء النقي والماء المالح فمتعادلان.
18.2 سلّم pH
تعريف 18.3 (pH)
pH المحلول المائي، أو رقمه الهيدروجيني، عدد يقع عادة بين 0 و14، يدل على مدى حمضيته أو قاعديته: عند يكون pH المحلول المتعادل 7، وpH المحلول الحمضي أقل من 7، وpH المحلول القاعدي أكبر من 7. وكلما كثرت أيونات في المحلول انخفضت قيمة pH.
تعريف 18.4 (ورق pH ومقياس pH)
ورق pH شريط من الورق مشرّب بخليط من الصبغات يأخذ لونًا مختلفًا عند كل pH؛ توضع عليه قطرة من المحلول ويُقارن لونه بسلّم ألوان مطبوع على العلبة. أما مقياس pH فيقيس pH بمسبار زجاجي يُغمس في المحلول ويعرضه عددًا، بمنزلة عشرية أو منزلتين.
طريقة 18.5 (قياس pH بورق pH)
18.3 تخفيف حمض
قضية 18.6 (التخفيف يقرّب pH من 7)
إضافة الماء إلى محلول حمضي تنشر أيونات فيه في حجم أكبر: فيرتفع pH نحو 7، لكنه لا يتجاوزه أبدًا. ولحمض مثل حمض الهيدروكلوريك، يرفع التخفيف عشر مرات قيمة pH بنحو وحدة واحدة: حجم واحد من حمض pH له 2 مع تسعة أحجام من الماء يعطي محلولًا pH له 3. وتخفيف محلول قاعدي يخفض pH بالمثل نحو 7.
في المختبر — تخفيف حمض
لتخفيف حمض يصب المعلم الحمض دائمًا ببطء في الماء، لا الماء في الحمض أبدًا: فالخلط يطلق حرارة، والماء الذي يُصب على حمض مركّز قد يغلي في الحال فيقذف الحمض خارج الوعاء.
18.4 أحماض وقواعد يومية
قضية 18.7 (الأحماض والقواعد من حولنا)
حمضية: عصير الليمون الأصفر والأخضر، والخل، والنبيذ، والمشروبات الغازية، والقهوة، والعصارة المعدية في المعدة. قاعدية: ماء البحر (قليلًا)، وصودا الخبز المذابة في الماء، والصابون، وحليب المغنيسيا (دواء لحموضة المعدة)، والنشادر المنزلي، وماء الجافيل، ومنظّف المجاري (بشدة كبيرة).
مثال 18.8 (pH المحيط)
متوسط pH المحيط نحو 8.1: قاعدي قليلًا. ومنذ بداية العصر الصناعي خفض ثنائي أكسيد الكربون الذائب من الهواء pH المياه السطحية بنحو 0.1: فالمحيطات تصير شيئًا فشيئًا أقل قاعدية، وهذا يضر بالمحاريات والمرجان.
18.5 السلامة مع المنتجات الأكّالة
السلامة
حمض الهيدروكلوريك المركّز وهيدروكسيد الصوديوم (قاعدة منظّفات المجاري) يحملان رمز التآكل GHS05: فهما يسببان حروقًا شديدة للجلد والعينين ويهاجمان الفلزات. GHS07: مهيّج. نظارات واقية وقفازات؛ ويُشطف أي رذاذ فورًا بكثير من الماء.
ملاحظة 18.9 (لا تخلط منتجات التنظيف أبدًا)
المنتجات الحمضية والقاعدية تتفاعل معًا، بعنف أحيانًا، وبعض الخلائط يطلق غازات سامة: فماء الجافيل المخلوط بمزيل كلس حمضي يطلق الكلور. ولا تُخلط منتجات التنظيف أبدًا.
18.6 تمارين
تمرين 18.1 ★
حمضي أم قاعدي أم متعادل؟ محلول pH له 3، وآخر pH له 7، وثالث pH له 11.
تمرين 18.2 ★
أي الأيونات أكثر عددًا في المحلول الحمضي؟ وفي المحلول القاعدي؟
تمرين 18.3 ★
مستعينًا بسلّم pH في هذا الفصل، رتّب من الأشد حمضية إلى الأشد قاعدية: القهوة، وماء البحر، وعصير الليمون، والنشادر المنزلي، والماء النقي.
حل
حل التمرين 18.3.
عصير الليمون (2)، والقهوة (5)، والماء النقي (7)، وماء البحر (8.1)، والنشادر المنزلي (12).
تمرين 18.4 ★
حل
حل التمرين 18.4.
يوضع شريط في صحن نظيف جاف، ويُلمس بقطرة من المحلول تحملها ساق زجاجية نظيفة؛ ويُقارن اللون فورًا بسلّم الألوان.
تمرين 18.5 ★★
محلول pH له 4 يُخفَّف عشر مرات بالماء. ما قيمة pH الجديدة تقريبًا؟ وإذا خُفّف مئة مرة؟
حل
حل التمرين 18.5.
نحو 5 بعد تخفيف بعشرة أضعاف؛ ونحو 6 بعد تخفيف بمئة ضعف.
تمرين 18.6 ★★
هل يمكن أن يصير محلول حمضي قاعديًا بإضافة الماء؟ علّل.
تمرين 18.7 ★★
لماذا يجب أن يُصب الحمض في الماء، لا العكس؟
حل
حل التمرين 18.7.
الخلط يطلق حرارة. فالماء الذي يُصب على حمض مركّز قد يغلي في الحال ويقذف الحمض؛ أما الحمض الذي يُصب ببطء في الماء فينتشر فورًا في حجم كبير.
تمرين 18.8 ★★
قارورة تحمل رمز الخطر GHS05. ماذا يعني؟ اذكر احتياطين.
حل
حل التمرين 18.8.
أكّال: يحرق الجلد والعينين، ويهاجم الفلزات. البس نظارات واقية وقفازات؛ واشطف أي رذاذ بكثير من الماء.
تمرين 18.9 ★★
كم تخفيفًا بعشرة أضعاف يلزم لنقل حمض من pH 1 إلى pH 4؟ وما التخفيف الكلي؟
حل
حل التمرين 18.9.
ثلاثة تخفيفات (من 1 إلى 2، ومن 2 إلى 3، ومن 3 إلى 4): مرة.
تمرين 18.10 ★★
يؤخذ حليب المغنيسيا لحموضة المعدة. استعن بسلّم pH لتشرح لماذا.
حل
حل التمرين 18.10.
حليب المغنيسيا قاعدي (pH له نحو 10.5): فهو يتفاعل مع جزء من الحمض الزائد في المعدة.
تمرين 18.11 ★★★
انخفض pH المحيط بنحو 0.1 منذ العصر الصناعي. هل المحيط حمضي اليوم؟ وفي أي اتجاه يسير، ولماذا؟
تمرين 18.12 ★★★
يقيس تلميذ pH الخل نفسه بورق pH (3) وبمقياس pH (2.6). اشرح لماذا تختلف النتيجتان، وأيهما أدق.
18.7 مسألة: انسكاب الحمض
مسألة 18.1
مسألة نهاية الأسبوع — لتر من الحمض انسكب في مغسلة المختبر، ولماذا لا يكون التخفيف هو الحل
تنكسر في مغسلة المختبر قارورة فيها من حمض الهيدروكلوريك المخفف، pH له 2. ولا يجوز أن يتلقى المجرى أي محلول pH له أقل من 5. خذ قاعدة هذا الفصل: لهذا الحمض، كل تخفيف بعشرة أضعاف يرفع pH وحدة واحدة.
الجزء الأول — الحمض.
- هل المحلول حمضي أم متعادل أم قاعدي؟ وأي الأيونات أكثر فيه؟
- أي رمز خطر يجب أن تحمل القارورة، ولماذا؟
- يقيس المعلم pH بمقياس pH بدلًا من ورق pH. أعطِ ميزة واحدة.
- كم مرة تزيد أيونات في لتر pH له 2 على ما في لتر pH له 3 من الحمض نفسه؟
الجزء الثاني — التخفيف.
- ما حجم المحلول الذي نحصل عليه بتخفيف لتر الحمض عشر مرات؟ وما قيمة pH له؟
- كم تخفيفًا بعشرة أضعاف يلزم لبلوغ pH 5؟
- ما الحجم الكلي للمحلول الذي ينتج عن ذلك؟
- هل يمكن لأي مقدار من الماء أن يجعل المحلول قاعديًا؟ علّل.
الجزء الثالث — طريقة أفضل. يضيف المعلم بدلًا من ذلك، شيئًا فشيئًا، محلول قاعدة حتى يبيّن ورق pH القيمة 7: فتتفاعل أيونات في الحمض مع أيونات في القاعدة.
- اكتب معادلة التفاعل بين أيونات وأيونات .
- لماذا يكون هذا أفضل من التخفيف؟
- سمِّ منتجًا قاعديًا يوميًا يمكن استعماله في المطبخ لتنظيف انسكاب صغير من الخل.
- احسب حجم الماء الذي كان يلزم إضافته إلى لتر الحمض لبلوغ pH 5.
حل
حل المسألة 18.1.
1. حمضي: يحوي في الغالب أيونات و.
2. GHS05، أكّال: فالحمض يهاجم الجلد والعينين والفلزات.
3. يعطي عددًا دقيقًا بدلًا من لون يُقارن بالعين.
4. عشر مرات: فوحدة pH واحدة توافق تخفيفًا بعشرة أضعاف.
5. ، وقيمة pH له 3.
6. ثلاثة: من pH 2 إلى 3، ومن 3 إلى 4، ومن 4 إلى 5.
7. .
8. لا: فالتخفيف لا يفعل إلا أن يقرّب pH من 7.
9. .
10. يزول الحمض، إذ يتحول ماءً، بدلًا من أن ينتشر في حجم هائل؛ ولا يلزم إلا قليل من القاعدة، لا ألف لتر من الماء.
11. صودا الخبز المذابة في الماء (أو الماء والصابون).
12. من الماء.